JP2005344953A - ハイブリッド型地中熱利用システム - Google Patents

Abstract

【課題】 ピーク時にも必要な熱量を確実に供給でき、設置コストを大幅に削減でき、想定外の大雪時にも安定した稼働を可能にする。
【解決手段】 地熱と内部を流れる流体熱媒体との熱交換を行なう地中熱交換器（１）と、地中熱交換器に接続されて熱媒体を蓄える熱媒体タンク（５）とを備え、熱媒体タンク内の熱媒体を外部熱源を用いて加熱するための加熱手段を熱媒体タンクに配設する。熱媒体の温度を検出する温度センサ（１２）と、加熱手段の作動を制御するコントローラ（７）とを備え、コントローラは、温度センサが検出した温度に基づいて電熱ヒータの作動を制御する。また、コントローラは、上記温度が熱媒体の凍結温度に基づいて設定された所定温度、又はヒートポンプの蒸発限界温度に基づいて設定された所定温度を下回ったときに上記電熱ヒータを作動させる。例えば、加熱手段は電熱ヒータ（６）又は温水を熱源とする温水熱交換器からなる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、地熱を効率的に採集することができるハイブリッド型地中熱利用システムに関する。

従来の地中熱利用システムは、例えば、図５に示すように、地上から供給されるブライン等の熱媒体が、外管１０２と内管１０３とからなる地中熱交換器１０１の、外管１０２と内管１０３との隙間を通って、地中との間で熱交換を行いながら下降する。そして、最下部で反転し、内管１０３内を通って地上に戻る。地上では、地中熱交換器１０１から流出した熱媒体が、バッファタンク１０４、循環ポンプ１０５を介して、ヒートポンプ等からなる地上熱交換器１０６に流入する。この地上熱交換器１０６で熱交換を行って流出した熱媒体は、再び地中熱交換器１０１の外管１０２内へ還流される。また、外管１０２と内管１０３の流れは、この逆の場合もある。

この地中熱利用システムは、冬期には道路融雪や建物の暖房、夏期には冷房設備などに用いられ、運転費が比較的安く、また、炭酸ガスの排出量が少ないなどの利点がある。この一方、電熱線やボイラーを熱源とする融雪設備や空気熱源を利用した冷房設備と比較すると、この従来の地中熱利用システムでは、熱負荷に見合った総延長の地中熱交換器を地中に埋設する必要があり、膨大な初期費用が発生する。

一例として、地中熱利用融雪システムにおける地中熱交換器の総延長の検討では、一般に、任意に設定した熱交換器の本数と長さ、さらには、例えば、図４に示すように、設置が検討されている地域の実際の降雪量データを用いてシミュレーションが行われる。寒冷地における降雪量は、一般に毎年１月〜２月に最大になるが、例えば、地中熱利用のヒートポンプシステムでは、循環熱媒体が凍結した場合や、ヒートポンプの低圧リミッターが作動した場合に、システム全体が停止する。

したがって、負荷の大きい時期にシステムが破綻しないように、降雪が連続する時期、つまりピーク時の負荷に合わせて、地中熱交換器の総延長を決定する必要がある。このため、初期コストの増大は避けられない。

これに対し、地中から採集した地熱の一部を、地中熱交換器の熱媒体の加熱に用いるものもあるが（例えば、特許文献１）、これは飽くまでもヒートポンプの出力調整を目的とするものであり、ピーク時に新たな熱量を追加供給するものではない。したがって、地中熱交換器の総延長を短くしながら、ピーク時にも必要な熱量を供給することができる地中熱利用システムとはなっていない。
特開２００１−１８３０３０号公報（第２−５頁、第１−２図）

上述のように、地中熱交換器の設置コストを低減させるためには、地中熱交換器の採熱効率を上げて、地中熱交換器の総延長を短くすることが必要となる。しかしながら、従来の地中熱利用システムにおいては、降雪が連続する時期、つまりピーク時の負荷に合わせて地中熱交換器の総延長が決定される。

一方、図４に示すように、例えば、降雪量が２５ｃｍを超える日は年間数日に過ぎない。それ以外は、殆どがピーク時の半分以下の降雪量となる。したがって、ピーク時に合わせて地中熱交換器の総延長を決定した場合、それ以外の比較的降雪量が少ない時期については過剰設備となる。このように、従来の地中熱利用システムにおいては、必要以上に設置コストを増加させるという問題があり、地中熱利用システムの普及における最大の問題点となっている。また、地中熱交換器の総延長をピーク時に合わせて設定したとしても、想定外の大雪には対応することができないという問題がある。

本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、ピーク時にも必要な熱量を地上設備に確実に供給することができ、かつ、地中熱利用システムの普及における最大の問題点である設置コストを大幅に削減することができると共に、想定外の大雪時にも安定した稼働が可能となる、ハイブリッド型地中熱利用システムを提供することを課題とする。

上述の課題を解決するために、本発明が採用する手段は、地中に埋設されて地熱と内部を流れる流体熱媒体との熱交換を行なう地中熱交換器と、地中熱交換器に接続されて熱媒体を蓄える熱媒体タンクとを備えた地中熱利用システムにおいて、熱媒体タンク内の熱媒体を外部熱源を用いて加熱するための加熱手段を熱媒体タンクに配設したことにある。

このように、熱媒体タンク内の熱媒体を外部熱源を用いて加熱するための加熱手段を熱媒体タンクに配設したから、ピーク時あるいは想定外の大雪時には、地中熱交換器によって採集した地中熱だけでは不足する熱量を、この外部熱源を用いた加熱手段によって加熱することにより、地上設備に確実に供給することができる。したがって、地中熱交換器は、例えば、寒冷地における標準ないし平均的な降雪量等を目安にその総延長を設定することができ、設置コストを大幅に削減することができる。この場合、外部熱源に要する運転費等を考慮しても、総コストが大幅に削減される。また、想定外の大雪にも対応可能となる。

熱媒体の温度を検出するための温度センサと、加熱手段の作動を制御するコントローラとをさらに備え、コントローラは、温度センサが検出した温度に基づいて加熱手段の作動を制御する。このようにすれば、本地中熱利用システムを自動制御することができる。

例えば、コントローラは、上記熱媒体の温度が熱媒体の凍結温度に基づいて設定された所定温度を下回ったときに上記加熱手段を作動させる。又は、地中熱交換器の熱媒体と地上設備に供給される熱媒体との間で熱交換を行なうヒートポンプをさらに備え、コントローラは、上記熱媒体の温度がヒートポンプの蒸発限界温度に基づいて設定された所定温度を下回ったときに上記加熱手段を作動させる。

地中熱交換器の熱媒体の凍結温度、又はヒートポンプの蒸発限界温度は、システムの作動に係わる重要なパラメータであり、地中熱交換器の熱媒体の温度と、これらのパラメータに関する所定温度とに基づいて上記加熱手段を作動させることにより、本地中熱利用システムを最も効率的に、かつ安定的に運転することができる。

例えば、加熱手段は、電熱ヒータからなる。電熱ヒータは、設備コストが安く、メンテナンスが極めて容易である。又は、加熱手段は、温水を熱源とする温水熱交換器からなる。例えば、温水として温泉等を利用すれば、運転費を大幅に削減することができる。

以上詳細に説明したように、本発明のハイブリッド型地中熱利用システムは、地中に埋設されて地熱と内部を流れる流体熱媒体との熱交換を行なう地中熱交換器と、地中熱交換器に接続されて熱媒体を蓄える熱媒体タンクとを備えた地中熱利用システムにおいて、熱媒体タンク内の熱媒体を外部熱源を用いて加熱するための加熱手段を熱媒体タンクに配設したから、ピーク時にも必要な熱量を地上設備に確実に供給することができ、かつ、地中熱利用システムの普及における最大の問題点である設置コストを大幅に削減することができると共に、想定外の大雪時にも安定した稼働が可能となるという優れた効果を奏する。

本発明に係るハイブリッド型地中熱利用システムを実施するための最良の形態を、図１ないし図４を参照して詳細に説明する。

図１に示すように、地中熱交換器１は、例えば、外管２と内管３とからなる同軸２重管により構成され、地中に埋設される。地上において、地中熱交換器１の内管３は、バッファタンク（熱媒体タンク）５、循環ポンプ１１を介して、地上熱交換器であるヒートポンプ２０に接続される。また、地中熱交換器１の外管２は、温度センサ１２を介してヒートポンプ２０に接続される。ヒートポンプ２０には、ヒートポンプ２０側の熱媒体の循環に必要な配管２１，２２がなされ、そのための循環ポンプ２３等が配設される。

バッファタンク５の内部には、外部熱源としての電力を用いた電熱ヒータ６が配設され、また、電熱ヒータ６の作動を制御するためのコントローラ７が配設される。コントローラ７と、電熱ヒータ６及び上述の温度センサ１２は、それぞれ電気的に接続される。電熱ヒータは、設備コストが安く、メンテナンスが極めて容易である。

循環ポンプ１１が作動することにより、地上から供給される流体熱媒体は、地中熱交換器１の外管２と内管３との隙間を通って、地中との間で熱交換を行い、地熱を採集しながら下降する。そして、最下部で反転し、内管３内を通って地上に戻る。地上では、地中熱交換器１から流出した熱媒体が、バッファタンク５、循環ポンプ１１を通ってヒートポンプ２０へ流入する。このヒートポンプ２０でヒートポンプ２０側の熱媒体と熱交換を終えて流出した熱媒体は、再び地中熱交換器１へ還流される。ヒートポンプ２０側の熱媒体が吸収した熱により、道路融雪や建物の暖房が行われる。

なお、地中熱交換器１の熱媒体の流れは、内管３から外管２へ流れるものでもよいし、バッファタンク５の取付位置も、地中熱交換器１の下流側に限定されるものではなく、地中熱交換器１の上流側であってもよい。

地中熱交換器１の熱媒体は、例えば、エチレングリコール系ブライン、プロピレングリコール系ブライン等が使用され、その凍結温度ｔ₁ は、概して濃度４０％の場合、−２０°Ｃ程度である。また、ヒートポンプ２０の蒸発限界温度ｔ₂ は、一般に−１５°Ｃ程度である。

次に、本ハイブリッド型地中熱利用システムの作動について説明する。

上述の地中熱交換器１の総延長は、例えば図４に示す、寒冷地における標準ないし平均的な降雪量等に基づいて決定されている。したがって、降雪が連続する時期、つまりピーク時には、この地中熱交換器１によって採集される地熱だけでは、地中熱交換器１の熱媒体の凍結や、ヒートポンプ２０の低圧リミッターの作動によって、システム全体が停止する恐れがある。しかしながら、本ハイブリッド型地中熱利用システムによれば、バッファタンク５内の電熱ヒータ６が次のように作動して、この地中熱交換器１の熱媒体の凍結や、ヒートポンプの低圧リミッターの作動を防止する。

図１及び図２に示すように、コントローラ７は、温度センサ１２が検出した地中熱交換器１の熱媒体温度ｔを読み込む（ステップＳ２）。次に、ステップＳ２で読み込んだ地中熱交換器１の熱媒体温度ｔが、地中熱交換器１の熱媒体の凍結温度ｔ₁ に基づいて設定された所定温度ｔ₁₀を下回ったか否か、又はヒートポンプ２０の蒸発限界温度ｔ₂ に基づいて設定された所定温度ｔ₂₀を下回ったか否かを判定する（ステップＳ４）。

地中熱交換器１の熱媒体に関する所定温度ｔ₁₀は、予め電熱ヒータ６を作動させ、地中熱交換器１の熱媒体が凍結温度ｔ₁ に近づかないようにするために設定された凍結温度ｔ₁ よりも高い温度である。また、ヒートポンプ２０側の熱媒体の供給限界温度は、上述のヒートポンプ２０の蒸発限界温度ｔ₂ よりも、一般に５°Ｃだけ高いものとされる。したがって、ヒートポンプ２０の蒸発限界温度ｔ₂ に関する所定温度ｔ₂₀は、通常、ヒートポンプ２０の蒸発限界温度ｔ₂ よりも一般に５°Ｃだけ高いこの熱媒体の供給限界温度よりも、さらに高い温度に設定される。これにより、ヒートポンプ２０側の熱媒体が、その供給限界温度に近づく前に、予め電熱ヒータ６を作動させることができる。

ここで、地中熱交換器１の熱媒体の凍結温度ｔ₁ に基づいて設定された所定温度ｔ₁₀を用いて判定するか、あるいはヒートポンプ２０の蒸発限界温度ｔ₂ に基づいて設定された所定温度ｔ₂₀を用いて判定するかは、地中熱利用システムの特性等に応じて適宜に選択すればよい。

ステップＳ４の判定結果が肯定（Ｙｅｓ）の場合、すなわち、読み込んだ地中熱交換器１の熱媒体温度ｔが、地中熱交換器１の熱媒体に関する所定温度ｔ₁₀を下回る場合、又はヒートポンプ２０の蒸発限界温度ｔ₂ に関する所定温度ｔ₂₀を下回る場合には、地中熱交換器１の熱媒体の凍結や、ヒートポンプ２０の低圧リミッターの作動によって、システム全体が停止する恐れがあるため、バッファタンク５内の電熱ヒータ６を作動させて、地中熱交換器１の熱媒体を加熱する（ステップＳ６）。

バッファタンク５内の電熱ヒータ６を作動させた場合、あるいは、ステップＳ４の判定結果が否定（Ｎｏ）の場合、すなわち、読み込んだ地中熱交換器１の熱媒体温度ｔが、地中熱交換器１の熱媒体に関する所定温度ｔ₁₀以上の場合、又はヒートポンプ２０側の熱媒体に関する所定温度ｔ₂₀以上の場合には、次に、本ハイブリッド型地中熱利用システムがＯＦＦとされたか否かを判定する（ステップＳ８）。ステップＳ８の判定結果が肯定の場合には、本ルーチンを終了する。ステップＳ８の判定結果が否定の場合には、再びステップＳ２以降を繰り返す。

このように、本ハイブリッド型地中熱利用システムによれば、コントローラ７が常に地中熱交換器１の熱媒体温度ｔを監視し、バッファタンク５内の電熱ヒータ６により、熱媒体温度ｔが、地中熱交換器１の熱媒体の凍結温度ｔ₁ に基づいて設定された所定温度ｔ₁₀を超えるように、又はヒートポンプ２０の蒸発限界温度ｔ₂ に基づいて設定された所定温度ｔ₂₀を超えるようにしている。したがって、ピーク時には、地中熱交換器１によって採集した地中熱だけでは不足する熱量を、予め外部熱源である電力を用いた電熱ヒータ６によって加熱することにより、地上設備へ確実に供給することができる。

このため、地中熱交換器１は、例えば、上述のように寒冷地における標準ないし平均的な降雪量等を基準にその総延長を決定することができるようになり、設置コストを大幅に削減することができる。この場合、外部熱源に要する運転費等を考慮しても、総コストを大幅に削減することができる。また、想定外の大雪時にも安定した稼働が可能となる。

なお、上述のハイブリッド型地中熱利用システムは、一例に過ぎず、種々の変形が可能である。例えば、上述のハイブリッド型地中熱利用システムにおいては、コントローラ７が地中熱交換器１の熱媒体の凍結温度ｔ₁ やヒートポンプ２０の蒸発限界温度ｔ₂ に関する所定温度ｔ₁₀，ｔ₂₀に基づいて電熱ヒータ６を作動させる。しかしながら、地中熱交換器１の熱媒体の凍結温度ｔ₁ やヒートポンプ２０の蒸発限界温度ｔ₂ 以外の他のパラメータに基づいて、電熱ヒータ６を作動させることもできる。

一方、図３に示すように、バッファタンク５の周囲に、外部熱源としての温水を利用した温水熱交換器８を配設してもよい。温水として温泉等の自然熱源を利用すれば、運転費を大幅に削減することができる。温泉等の自然熱源の利用の場合には、通常は開閉バルブ９を開とし、常時多量の温水を流して加熱する。ただし、温水の温度が地中熱交換器１の熱媒体の温度よりも低い場合等には、開閉バルブ９を閉じる操作を行なう。また、このような一連の操作を、図１に示すハイブリッド型地中熱利用システムと同様に、自動化することもできる。さらに、この温水熱交換器８と、図１の電熱ヒータ６とを組み合わせたハイブリッド型地中熱利用システムとすることもできる。

なお、本ハイブリッド型地中熱利用システムにおいて、バッファタンク５に配設する加熱手段は、必ずしも上述の電熱ヒータ６や温水を熱源とする温水熱交換器８に限定されるものではない。

本発明に係るハイブリッド型地中熱利用システムを示す簡略図である。 図１のハイブリッド型地中熱利用システムの作動を示すフローチャートである。 図１とは別のハイブリッド型地中熱利用システムを示す簡略図である。 降雪量の一例を示すグラフである。 従来の地中熱利用システムを示す簡略図である。

符号の説明

１ 地中熱交換器
２ 外管
３ 内管
５ バッファタンク
６ 電熱ヒータ
７ コントローラ
８ 温水熱交換器
９ 開閉バルブ
１１ 循環ポンプ
１２ 温度センサ
２０ ヒートポンプ
２１，２２ 配管
２３ 循環ポンプ
１０１ 地中熱交換器
１０２ 外管
１０３ 内管
１０４ バッファタンク
１０５ 循環ポンプ
１０６ 地上熱交換器
ｔ 熱媒体温度
ｔ₁ 凍結温度
ｔ₁₀ 所定温度
ｔ₂ 蒸発限界温度
ｔ₂₀ 所定温度

Claims (6)

1. 地中に埋設されて地熱と内部を流れる流体熱媒体との熱交換を行なう地中熱交換器（１）と、前記地中熱交換器に接続されて前記熱媒体を蓄える熱媒体タンク（５）とを備えた地中熱利用システムにおいて、前記熱媒体タンク内の前記熱媒体を外部熱源を用いて加熱するための加熱手段を前記熱媒体タンクに配設したことを特徴とするハイブリッド型地中熱利用システム。
2. 前記熱媒体の温度を検出するための温度センサ（１２）と、前記加熱手段の作動を制御するコントローラ（７）とをさらに備え、前記コントローラは、前記温度センサが検出した前記温度（ｔ）に基づいて前記加熱手段の作動を制御することを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド型地中熱利用システム。
3. 前記コントローラ（７）は、前記温度（ｔ）が前記熱媒体の凍結温度（ｔ₁ ）に基づいて設定された所定温度（ｔ₁₀）を下回ったときに前記加熱手段を作動させることを特徴とする請求項２に記載のハイブリッド型地中熱利用システム。
4. 前記地中熱交換器（１）の前記熱媒体と地上設備に供給される熱媒体との間で熱交換を行なうヒートポンプ（２０）をさらに備え、前記コントローラ（７）は、前記温度（ｔ）が前記ヒートポンプの蒸発限界温度（ｔ₂ ）に基づいて設定された所定温度（ｔ₂₀）を下回ったときに前記加熱手段を作動させることを特徴とする請求項２に記載のハイブリッド型地中熱利用システム。
5. 前記加熱手段は、電熱ヒータ（６）からなることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のハイブリッド型地中熱利用システム。
6. 前記加熱手段は、温水を熱源とする温水熱交換器（８）からなることを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド型地中熱利用システム。
   

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